2.2 processos de fabricaÇÃo: conformaÇÃo 2.2.3 …felipeb.com/unipampa/aulas/im/cap02-06.pdf ·...
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TEMPERATURA
FLUIDEZ
PRESSÃO NA CAVIDADE
TAXA DE RESFRIAMENTO
Variáveis: temperatura de fusão do polímero
pressão de injeção
velocidade de injeção
geometria do molde
temperatura do molde
velocidade de injeção
geometria do molde
pressão de injeção
pressão de injeção
temperatura de fusão
velocidade de injeção
geometria do molde
temperatura de fusão
temperatura do molde
MOLDAGEM POR INJEÇÃO
2.2.3 FLUIDOPLÁSTICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Origem
emperatura do cilindro excessivamente alta 1,5,10
excessivamente baixa 2,9,12,15
pressão de injeção excessivamente alta 1,6,9
excessivam,ente baixa 2
pressão alta constante 1,7
patamar de pressão prolongado 1,7,11
patamar de pressão curto 2
baixo nível de pressão 2,8,9,14
tempo de injeção excessivamente longo 1,6,12
excessivamente curto 2
temperatura da matriz excessivamente alta 1,5,10
matriz fria 2,4,13,15
tempo injeção excessivamente longo 2,3,4,13
excessivamente curto 2
superfície da matriz excessivamente polida 3,15
curvatura da ferramenta não adequada 9
ejeção lenta 3,4
Problemas e defeitos
───────────────
1-a forma não é completada
2-a peça final não é ejetada
3-quebra das peças na entrada
4-o ejetor penetra no produto
5-superfície opaca
6-superfície torta
7-imperfeições em algumas áreas
8-material envolve a tubeira
9-marcas pronunciadas no molde
10-pontos pretos
11-buracos de contração
12-calcinação do produto
13-empenamento
14-superfície rugosa
15-resistência insuficiente
MOLDAGEM POR INJEÇÃO
2.2.3 FLUIDOPLÁSTICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
2.2.2.2 MOLDAGEM POR INJEÇÃO
Defeitos típicos:
2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
sílica
TiB2
Peças diversas
MOLDAGEM POR INJEÇÃO
2.2.3 FLUIDOPLÁSTICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Equipamentos industriais
injetora
MOLDAGEM POR INJEÇÃO
2.2.3 FLUIDOPLÁSTICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Definição: processos de obtenção de revestimentos a partir da
deposição por jato (aspersão) de partículas aquecidas e
aceleradas contra um substrato.
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
TIPOS
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Característica comum: estrutura
lamelar do revestimento, parículas,
fundidas, não-fundidas, porosidade,
inclusões.
Espalhamento da partícula no choque contra o substrato
Microestrutura típica de um revestimento metálico:
lamelas, porosidade e inclusões de óxidos.
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Aplicações: enorme variedade de revestimentos espessos,
multicamadas, partes livres, reparo dimensional, corpos de
sustentação livre. Pode-se aspergir metais, cerâmicos,
polímeros e compósitos.
Funções: desgaste, oxidação/corrosão, barreira térmica,
coeficiente de atrito, biocompatibilidade, propriedades elétricas,
opticas, magnéticas.
Critério de qualidade: propriedade objetivada e aderência!
Mercado: rápido crescimento (5-10% ao ano). Mercado de 1,35
bilhões de dólares (1997). Processos elétricos sustentaram o
crescimento.
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Chama:
Plasma
HVOF
pó fio
Arco
D-gun
Chama:
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
SELEÇÃO DO MATERIAL E DO PROCESSO
Em termos de materiais, podemos considerar :
Para revestimentos metálicos: Arco Elétrico
Para revestimentos cerâmicos: Plasma spray
Para revestimentos de carbetos: HVOF
Porém existem comparações competitivas:
Para os revestimentos mais densos: HVOF
Para a operação mais simples: Arco Elétrico
Para a maior flexibilidade de processo: Plasma Spray
TODO PROCESSO TEM VANTAGENS E LIMITAÇÕES!
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Temperatura Velocidade Aderência Densidade
da chama das partículasoC m/s
CHAMA SPRAY 2.200 90 regular baixa
PLASMA SPRAY ~15.000 300 boa 80-99%
HVOF 2.600 2.200 muito boa 90-99%
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Polímero reforçado com fibra de carbono aspergido com Al2O3 (cor cinza)
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Revestimentos de
hidroxapatita
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
MICROESTRUTURA DO REVESTIMENTO:
•Estrutura lamelar, paralela à superfície anisotropia. RM 5 a 10 vezes maior na longitudinal do que na transversal.
•Estrutura amorfa (metais vítreos) e fases metaestáveis incomuns: taxa de resfriamento (106 Ks-l).
•Inclusões: spray em atmosfera com ar: interações químicas - oxidação, mesmo superficial da partícula. Outros ex.: W reage com H2 e N2.
•Estrutura heterogênea: as lamelas têm diferentes tamanhos e aderência (partículas com diferentes tamanhos, temperatura e velocidade)
•Porosidade (em aspersões convencionais): 0,025% to 50%. Causas:
baixa energia no impacto (partículas não fundidas / baixa velocidade)
efeito sombra (partículas não fundidas / ângulo de aspersão)
efeito da contração e relaxação de tensões residuais
Modificação da natureza química e física. Interações podem modificar significativamente (química e fisicamente) o material de partida
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Plasma spray TiO2: diferentes
tamanhos de lamelas.
REVESTIMENTO CERÂMICO: AL2O3:
partículas não fundidas
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
PROPRIEDADES: ASPERSÃO vs OUTROS PROCESSOS
•Porosidade: 1 to 25% normal
•Prejudicial para:
Corrosão - (selagem).
Acabamento superficial.
Resistência mecânica, microdureza e desgaste.
Interessante para:
Lubrificação - age como reservatório para lubricants.
Aumento de propriedade para barreira térmica.
Redução do nível de stress e aumento do limite para a espessura de camada.
Aumento da resistência ao choque térmica.
Aplicação em biomateriais.
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
TENSÕES NOS REVESTIMENTOS
•Resfriamento e a solidificação contração tensões trativas na
partícula e compressivas na superfície do substrato.
•Com o aumento da espessura do revestimento tensão superior a sua
aderência ou as forças coesivas, desprendimento do revestimento.
•Materiais com alta contração como aços austeníticos altos níveis de
tensão limitações na espessura máxima do revestimento.
•Revestimentos denso mais tensionados que os porosos.
•O método de aspersão e a microestrutura influenciam o nível de
tensionamento do revestimento.
• HVOF que produz revestimentos com baixa tensão e densos. Isto é devido
às tensões compressivas formadas pelas deformações mecânicas (similar
ao shot peening) durante o impacto da partícula, atuando contra as tensões
trativas devido à solidificação e resfriamento.
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
ÓXIDOS
•Revestimentos com óxidos são mais duros e mais resistentes ao
desgaste. Porém, diminuem propriedades mecânicas e usinabilidade.
TEXTURA DA SUPERFÍCIE
•Rugosas mas podem ser polidas
COMPORTAMENTO MECÂNICO
•Baixa resistência, ductilidade e resistência ao impacto.
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
ADERÊNCIA:
Os mecanismos de aderência entre o revestimento e o substrato, e entre as partículas
e o depósito já formado, é uma área de muito interesse e especulação.
A= Am + Aq + AvW + Ad - R
MECANISMOS:
Ancoramento mecânico (Am)
Depende do perfil/topologia da superfície, viscosidade, dilatação térmica, etc.
Difusão ou ligação metalúrgica (Ad) (+ para metais!):
Ocorre em escala limitada (0,5 µm max. Para uma região afetada pelo calor ~ 25µm)
Camadas que fundem: diferentes - refusão intensa difusão e ligações metalúrgicas.
Outros: adesivo, químico e físico: filmes óxidos, forças de van der Waals etc.
Restritos a alguns sistemas e menos intensos
Reações químicas: nem sempre atuam para aumenta a aderência!
Tensão residual
Em função das propriedades mecanoelásticas e da espessura da camada (A).
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
ADERÊNCIA:Fatores que afetam a aderência e o subseqüente aumento da espessura do depósito:
Limpeza e topografia ou perfil da superfície e área superficial
jateamento da superfície - aumento da área superficial e da reatividade: reações químicas e ancoramento mecânico
Temperatura (Et) e Velocidade (Ek)
dependem do pré-aquecimento do substrato, tempo e distância de aspersão
Et e Ek difusão: temperatura, velocidade, entalpia, massa, densidade, calor específico, etc.
Pré-aquecimento: T mas óxidos (A). HVOF: A pela E liberada pela Ek : Ex.: WC/Co).
Tempo taxa de reação & taxa de resfriamento, etc.: 106Ks-l - limitação para interações térmicas, espalhamento, difusão - dependente do tempo e temperatura
Propriedades mecanoelásticas, físicas
Geração de R = E..T T= f (difusividade térmica (H= K / .Cp) ou (r.Cpr.Kr)-1/ (s.Cps.Ks)
-1, taxa de resfriamento )
Reações físicas & químicas
Produtos da reação: novas interfaces compatibilidade material ?? A? ou A Novas interfaces!
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
CARACTERÍSTICAS DOS SUBSTRATOS
Rugosidade
Ponto de fusão
Composição química
Composição mineral
Módulo de elasticidade
Absorção de calor
Condutividade térmica, calor específico e densidade
Dilatação térmica
Calor latente de fusão
Calor específico
Limpeza
Geometria
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
CARACTERÍSTICAS DOS PÓS
Granulometria (distribuição de tamanho)
Fluidez
Composição química (reatividade com o meio e o substrato)
Composição mineral (transformações de fase)
Morfologia
Módulo de elasticidade
Absorção de calor (cor)
Condutividade térmica, calor específico e densidade
Dilatação térmica
Ponto de fusão
Calor latente de fusão
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
ESPESSURA DO PASSE
Plasma: alumina + 3% titania (X50). Espessura demasiada por passe causando delaminação.
Plasma: idem (X250) - outra técnica metalográfica.
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Plasma spray de ZrO2: descascamento da camada por excesso de espessura por passe.
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
ESPESSURA DO PASSE
PARÂMETROS OPERACIONAIS
Tipo de gás (reatividade com o substrato e pós de aspersão)
Fluxo dos gases
Pressão dos gases
Taxa de alimentação dos pós
Distância de aspersão
Ângulo de aspersão
Atmosfera e pressão (vácuo)
Movimento da pistola
Alimentação dos pós (interna ou externa à pistola)
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
PLASMA: PARÂMETROS DE DEPOSIÇÃO
Corrente
Pressão de argônio
Pressão de hélio
Taxa de alimentação
Distância de deposição
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
HVOF: PARÂMETROS DE DEPOSIÇÃO
Fluxo de querosene
Fluxo de oxigênio
Dimensões do bico
Fluxo de nitrogênio
Taxa de alimentação
Distância de deposição
EXEMPLOS DE REVESTIMENTOS
Al2O3 Dureza alta, resistência ao desgaste a baixas temperaturas,
pode ser aspergida por chama e plasma (>densidade).
Al2O3+TiO2(13%) Densos, +duros, resistência à corrosão, cavitação e
erosão. Boa aderência
ZrO2+Y2O3(8%) Barreira térmica mesmo a alta temperaturas,
resistência a ciclos térmicos e à fluência, ao choque térmico e à
abrasão. Módulo de elasticidade é cerca de 60% do da alumina. Pode
ser aspergido por chama e plasma. Y2O3 promove a estabilização do
ZrO2, minimizando a formação de trincas e microtrincas.
WC+Co(12 ou 17%) Revestimentos duros muito densos e muito
resistentes ao desgaste. Co na matriz promove uma base elastica
aumentando a resistência ao desgaste. WC aumenta a resistência à
fricção.
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
PLASMA (plasma spray)
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
PLASMA (plasma spray)
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
PLASMA (plasma spray)
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Gases: Ar, H, N2 eH2 (ou mistura destes)
Temperaturas: 7.000 a 20.000 K
O plasma é capaz de suprir a quantidade de energia necessária a
dissociação e ionização que ocorre com a temperatura.
N2 + E = 2N (molécula diatômica + energia: 2 átomos livres de N)
2N + E = 2N+ + 2e- (2 átomos livres de N + energia: 2 íons N + 2 e-)
O processo reverso: promove a maior parte da energia para o aquecimento
do material a ser aspergido sem queda significativa da temeperatura:
2N+ + 2e- = 2N + E
2N = N2 + E
PLASMA (plasma spray)
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
•A pistola gera um arco elétrico que ioniza Ar (fluxo contínuo) entre um
ânodo de Cu (resfriado a água) e um cátodo de W
•Características: Plasma= gás condutivo. T Calor (ex. peça de 10 kg
T= 100°C)
•Potência: 40-100 kW
•Expansão dos gases pelo aumento da temperatura: aceleração das
partículas
•PTA: Plasma de arco transferido: entre plasma e solda com eletrodo
consumível (aplicável somente para metais)
PLASMA (plasma spray)
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
(1) helium tube (plasma formation); (2) argon tubes (loader); (3) water pump (spray gun
cooling); (4) spray gun; (5) control panel; (6) current rectifier; (7) transformer; (8) spraying
powder feeder; (9) powder injection in spray gun
PLASMA (plasma spray)
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Equipamento
Indústria petroquímica
Plasma: aplicação em palheta de
turbina (ZrO2+Y2O3).
PLASMA (plasma spray)
2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Versatilidade:
aspersão a
plasma de uma
turbina de
hidroelétrica in
loco.
Plasma aplicado na
superfície interna
de motores a
combustão (BMW)
PLASMA (plasma spray)2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Plasma: aplicação
em palheta de
turbina (ZrO2+Y2O3).
Plasma spray: Al2O3+TiO2 (60/40)
Plasma spray: ZrO2 sobre AlNi (pistão)
PLASMA (plasma spray)2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
Plasma spray: WC 12% Cobalto
HIPERSÔNICO (HVOF = High Velocity Oxygen Fuel)2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO
(1) oxygen (combustion gas); (2) kerosene (fuel); (3) operation panel; (4 and 5) Entrance and
exit of cooling water; (6) spray gun; (7) feeder; (8) cooling jacket of the spray gun nozzle
EQUIPAMENTO
HIPERSÔNICO (HVOF = High Velocity Oxygen Fuel)2.2.4 ASPERSÃO TÉRMICA2.2 PROCESSOS DE FABRICAÇÃO: CONFORMAÇÃO